KR20030029165A - Fuel cell and production method therefor - Google Patents

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KR20030029165A
KR20030029165A KR10-2003-7003625A KR20037003625A KR20030029165A KR 20030029165 A KR20030029165 A KR 20030029165A KR 20037003625 A KR20037003625 A KR 20037003625A KR 20030029165 A KR20030029165 A KR 20030029165A
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야마우라기요시
이마자토미네히사
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

본 발명은, 연료전극과 산소전극을 갖추고, 이들 연료전극과 산소전극이 프로톤 전도체막을 거쳐서 서로 대향 배치되어 있다. 연료전극, 산소전극은 탄소질 재료분체를 전극재료로 하고, 그 표면에는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료에 프로톤 해리성의 기본을 도입한 프로톤 전도체가 존재한다. 이와 같은 전극을 제작하는 데는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료에 프로톤 해리성의 기본을 도입한 프로톤 전도체를 포함하는 용제에, 전극재료가 되는 탄소질 재료분체를 침지시키면 좋다. 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료, 예를 들면, 플러렌 등의 탄소클러스터나 카본나노튜브 등에 프로톤 해리성의 기본을 도입한 프로톤 전도체는, 가습하지 않아도 양호한 프로톤 전도성을 발휘한다.In the present invention, a fuel electrode and an oxygen electrode are provided, and the fuel electrode and the oxygen electrode are disposed to face each other via a proton conductor film. The fuel electrode and the oxygen electrode have carbonaceous material powder as an electrode material, and on the surface thereof, a proton conductor having a basic composition of proton dissociation in a carbonaceous material mainly composed of carbon exists. In producing such an electrode, a carbonaceous material powder serving as an electrode material may be immersed in a solvent containing a proton conductor in which proton dissociation is introduced into a carbonaceous material composed mainly of carbon. A carbonaceous material containing carbon as a main component, for example, a proton conductor in which proton dissociation is introduced into a carbon cluster or carbon nanotube such as fullerene, exhibits good proton conductivity without being humidified.

Description

연료전지 및 그 제조방법{Fuel cell and production method therefor}Fuel cell and production method therefor {Fuel cell and production method therefor}

근래, 석유 등의 화석연료에 대신할 수 있는 대체 클린 에너지원이 요망되고 있다. 이런 종류의 에너지원으로서 수소가스 연료가 주목되고 있다.Recently, alternative clean energy sources are desired to replace fossil fuels such as oil. Hydrogen gas fuel is drawing attention as an energy source of this kind.

수소는, 단위 질량당에 포함되는 화학에너지량이 크고, 또 사용에 있어서 유해물질이나 지구 온난화가스 등을 방출하지 않는 등의 이유에서, 클린하고 또한 무진장한 이상적인 에너지원이라고 말할 수 있다.Hydrogen can be said to be an ideal energy source that is clean and inexhaustible because of the large amount of chemical energy contained per unit mass and the fact that it does not emit harmful substances, global warming gases, etc. in use.

최근, 수소에너지에서 전기에너지를 추출할 수 있는 연료전지의 개발이 한창 행해지고 있고, 대규모발전에서 온사이트한 자가발전, 더욱이는 전기자동차용의 전원으로서의 응용 등이 기대되고 있다.Background Art In recent years, development of fuel cells that can extract electric energy from hydrogen energy is in full swing. On-site self-power generation in large-scale power generation, and furthermore, application as a power source for electric vehicles is expected.

연료전지는, 프로톤 전도체막을 끼우고 연료전극, 예를 들면 수소전극과 산소전극을 배치하고, 이들 전극에 연료로서의 수소나 산소를 공급하는 것으로 전지반응을 일으켜 기전력을 얻는 것이며, 그 제조에 있어서는, 통상 프로톤 전도체막, 연료전극, 산소전극을 각각 성형하고, 이들을 첩합하고 있다.In a fuel cell, a proton conductor membrane is sandwiched with a fuel electrode, for example, a hydrogen electrode and an oxygen electrode, and hydrogen and oxygen as fuel are supplied to these electrodes to cause a cell reaction to obtain an electromotive force. Usually, a proton conductor film, a fuel electrode, and an oxygen electrode are shape | molded, respectively, and these are bonded together.

이런 종류의 연료전지에 있어서는, 전지특성의 향상을 도모하기 위해, 프로톤전도를 어떻게 하여 원활히 행하게 하느냐가 중요하게 된다.In this type of fuel cell, how to smoothly carry out proton conduction becomes important in order to improve battery characteristics.

예를 들면, 전극재료를 프로톤 전도체로 피복하고, 이 프로톤 전도체를 거쳐서 전극에서 프로톤 전도체막에로 프로톤을 원활히 이동시키는 것이 유효하다고 고려된다.For example, it is considered effective to coat the electrode material with a proton conductor and to smoothly move the proton from the electrode to the proton conductor film via the proton conductor.

지금까지 프로톤전도체로서 검토되고 있는 재료, 예를 들면, 퍼플루오로술폰산 수지와 같은 프로톤(수소이온) 전도성의 고분자재료는, 양호한 프로톤전도성을 유지하기 위해서는 가습이 필요하고, 건조분위기 중에 있어서는, 양호한 프로톤전도성이 유지되지 않는 다는 문제가 있다.Materials that have been examined as proton conductors so far, for example, polymer materials of proton (hydrogen ion) conductivity such as perfluorosulfonic acid resins, need to be humidified in order to maintain good proton conductivity, and are good in a dry atmosphere. There is a problem that proton conductivity is not maintained.

또, 상술과 같은 고분자재료는, 전자전도성의 점에서 문제가 있다. 연료전극에서는, 프로톤의 전도는 물론, 전자도 신속히 단자에로 이동할 필요가 있고, 고분자재료를 이용한 경우, 전자전도성이 나쁘고, 내부저항이 높아지는 경향에 있다.In addition, the polymer material as described above has a problem in terms of electron conductivity. In the fuel electrode, not only the proton conduction but also the electrons need to move quickly to the terminal. When a polymer material is used, the electron conductivity tends to be poor and the internal resistance tends to increase.

본 발명은, 연료, 예를 들면 수소와 산소의 반응에 의해 기전력을 얻는 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell which obtains electromotive force by the reaction of a fuel, for example hydrogen and oxygen, and a method of manufacturing the same.

본 발명은, 상술한 바와 같은 실정을 감안하여 제안된 것이며, 건조분위기 중에 있어서도 양호한 프로톤전도도를 유지할 수 있고, 출력이 저하하지 않는 연료전지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been proposed in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell and a method of manufacturing the same, which can maintain a good proton conductivity even in a dry atmosphere and do not reduce output.

상술의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관계되는 연료전지는, 연료전극과 산소전극을 갖추고, 이들 연료전극과 산소전극이 프로톤 전도체막을 거쳐서 서로 대향 배치하고 있다. 연료전극 및 산소전극의 쌍방, 어느 한편은, 탄소질 재료분체를 전극재료로서, 그 표면에 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료에 프로톤해리성의 기본을 도입한 프로톤 전도체가 존재한다.In order to achieve the above object, the fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode and an oxygen electrode, and these fuel electrodes and the oxygen electrode are disposed to face each other via a proton conductor film. In both of the fuel electrode and the oxygen electrode, a proton conductor in which carbonaceous powder is used as an electrode material and proton dissociation is introduced into a carbonaceous material mainly composed of carbon on its surface.

본 발명의 제조방법은, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료에 프로톤 해리성의 기본을 도입한 프로톤 전도체를 포함하는 용제 중에, 연료전극 및/또는 산소전극의 전극재료가 되는 탄소질 재료분체를 첨가하고, 그 표면을 프로톤 전도체로 피복한다.In the production method of the present invention, a carbonaceous material powder serving as an electrode material of a fuel electrode and / or an oxygen electrode is added to a solvent containing a proton conductor in which proton dissociation is introduced into a carbonaceous material containing carbon as a main component. The surface is covered with a proton conductor.

여기서 「프로톤 해리성의 근본」이란, 전리에 의해 프로톤(H+)이 떨어질 수 있는 관능기의 것을 의미한다.As used herein, the term "proton dissociative property" means a functional group capable of dropping protons (H +) by ionization.

탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료, 예를 들면, 플러렌(fullerene) 등의 탄소클러스터나 카본나노튜브 등에 프로톤 해리성의 기본을 도입한 프로톤 전도체는, 가습하지 않아도 양호한 프로톤 전도성을 발휘한다.A carbonaceous material containing carbon as a main component, for example, a proton conductor in which proton dissociation is introduced into a carbon cluster such as fullerene, carbon nanotube, or the like, exhibits good proton conductivity without humidification.

전극재료인 탄소질 재료분체의 표면에 프로톤 전도체가 존재하면, 건조분위기 중에 있어서도 충분한 프로톤 전도도가 유지된다.If a proton conductor exists on the surface of the carbonaceous material powder as an electrode material, sufficient proton conductivity is maintained even in a dry atmosphere.

프로톤 전도체로 피복되는 전극재료는, 탄소질 재료이므로, 양호한 전자전도성도 겸해서 갖는다.Since the electrode material coated with the proton conductor is a carbonaceous material, it also has good electron conductivity.

본 발명의 또 다른 목적, 본 발명에 의해 얻어지는 구체적인 이점은, 이하에 설명되는 실시예의 설명에서 한층 명백하게 될 것이다.Further objects of the present invention and the specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the description of the embodiments described below.

[도면의 상세한 설명]Detailed Description of the Drawings

도 1은 연료전지의 기본구성을 나타내는 개략 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing the basic configuration of a fuel cell.

도 2는 탄소질 재료분체의 프로톤 전도체에 의한 피복상태를 나타내는 모식도이다.Fig. 2 is a schematic diagram showing the coating state of the carbonaceous material powder by the proton conductor.

도 3은 탄소클러스터의 여러 가지의 예를 나타내는 모식도이다.3 is a schematic diagram showing various examples of a carbon cluster.

도 4는 탄소클러스터의 다른 예인 부분 플러렌구조를 나타내는 모식도이다.It is a schematic diagram which shows the partial fullerene structure which is another example of a carbon cluster.

도 5는 탄소클러스터의 또 다른 예인 다이아몬드구조를 나타내는 모식도이다.5 is a schematic diagram showing a diamond structure as another example of a carbon cluster.

도 6은 탄소클러스터의 또 다른 예인 클러스터끼리가 결합하고 있는 것을 나타내는 모식도이다.It is a schematic diagram which shows that cluster which is another example of a carbon cluster couple | bonds.

도 7은 카본나노튜브를 작성하기 위한 아크방전장치의 일 예를 나타내는 모식도이다.7 is a schematic diagram showing an example of an arc discharge device for producing carbon nanotubes.

도 8a, 도 8b, 도 8c는, 아크방전에 의해 제작되는 탄소철매에 포함되는 각종 탄소질 재료를 나타내는 모식도이다.8A, 8B, and 8C are schematic diagrams showing various carbonaceous materials contained in the carbon iron sheet produced by arc discharge.

도 9는 연료전지의 구체적 구성예를 나타내는 모식도이다.9 is a schematic diagram illustrating a specific configuration example of a fuel cell.

도 10은 본 발명에 관계되는 연료전지의 출력특성을 비교예의 그 것과 비교하여 나타내는 특성도이다.10 is a characteristic diagram showing the output characteristics of the fuel cell according to the present invention in comparison with that of the comparative example.

이하, 본 발명을 적용한 연료전지 및 그 제조방법에 대하여, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the fuel cell to which this invention is applied, and its manufacturing method are demonstrated in detail, referring drawings.

본 발명에 관계되는 연료전지는, 도 1에 나타내는 바와 같은 구성을 갖추는 것이며, 기본적인 구성으로서, 프로톤 전도성을 가지는 프로톤 전도체막(1)의 양면에, 각각 연료전극(2), 산소전극(3)을 형성하고 있다.The fuel cell according to the present invention has the configuration as shown in FIG. 1, and as a basic configuration, the fuel electrode 2 and the oxygen electrode 3 are respectively provided on both surfaces of the proton conductor film 1 having proton conductivity. To form.

이 연료전지는, 연료전극(2)에 예를 들면 수소가 공급되고, 산소전극(3)에산소가 공급되면, 전지반응이 일어나 기전력이 생긴다. 여기서, 연료전극(2)에는, 소위 다이렉트 메탄올방식의 경우, 수소원으로서 메탄올을 공급하는 것도 가능하다.In this fuel cell, when hydrogen is supplied to the fuel electrode 2, for example, and oxygen is supplied to the oxygen electrode 3, a battery reaction occurs to generate electromotive force. Here, in the so-called direct methanol system, methanol can be supplied to the fuel electrode 2 as a hydrogen source.

연료전극(2) 및 산소전극(3)은, 탄소질 재료분체를 전극재료로 하고, 이것을 성형하여 이루는 것이나, 본 발명에 있어서는 도 2에 나타내는 바와 같이, 이 탄소질 재료분체(4)의 표면을 프로톤 전도체(5)로 피복하고, 프로톤의 전도가 원활히 진행하는 형태로 되어 있다. 또한, 도 2에 있어서는, 수소의 반응점이 되는 촉매금속(6)도 도시하고 있다.The fuel electrode 2 and the oxygen electrode 3 are formed by forming a carbonaceous material powder as an electrode material and molding the same. In the present invention, as shown in FIG. 2, the surface of the carbonaceous material powder 4 is formed. Is coated with the proton conductor 5, and the conduction of the proton proceeds smoothly. 2, the catalyst metal 6 used as a reaction point of hydrogen is also shown.

예를 들면, 연료전극(2)이 상기의 형태를 채택한 경우, 공급되는 연료가 수소일 때는, 먼저, 촉매금속(6)을 반응점으로서 프로톤과 전자로 변환된다. 이들 중 프로톤은, 상기 프로톤 전도체(5)를 거쳐서, 프로톤 전도체막(1)으로 이동한다. 한편, 전자는 전극(2)의 모재(母材)인 탄소질 재료분체(4)의 전자전도성에 의해, 신속히 단자에로 흐른다.For example, when the fuel electrode 2 adopts the above form, when the fuel supplied is hydrogen, the catalyst metal 6 is first converted into protons and electrons as reaction points. Of these, protons move to the proton conductor film 1 via the proton conductor 5. On the other hand, the electrons quickly flow to the terminal due to the electron conductivity of the carbonaceous material powder 4 which is the base material of the electrode 2.

또한, 탄소질 재료분체(4)의 표면을 프로톤 전도체(5)로 피복하는 데는, 프로톤 전도체를 용매로 분산하고, 이 중에 탄소질 재료분체를 침지한 후 건조하면 좋다.In addition, in order to coat the surface of the carbonaceous material powder 4 with the proton conductor 5, the proton conductor may be dispersed in a solvent, and the carbonaceous material powder may be dipped and then dried.

프로톤 전도체(5)를 구성하는 프로톤 전도성의 재료로서는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 하고, 이것에 프로톤 해리성의 기본이 도입되어서 이루는 프로톤 전도체가 가장 적절하다.As the proton conductive material constituting the proton conductor 5, a proton conductor formed by using a carbonaceous material composed mainly of carbon as a mother matrix and introducing the base of proton dissociation therein is most suitable.

여기서, 프로톤 해리성의 기본으로서는, -OH, -OSO3H, -SO3H, -COOH, -OP(OH)2등을 들 수 있다.Here, as the primary sex proton dissociation, and the like -OH, -OSO 3 H, -SO 3 H, -COOH, -OP (OH) 2.

이 프로톤 전도체에 있어서는, 프로톤 해리성의 기본을 거쳐서 프로톤이 이동하고, 이온전도성이 발현된다.In this proton conductor, protons move through the base of proton dissociation and ionic conductivity is expressed.

모체가 되는 탄소질 재료에는, 탄소를 주성분으로 하는 것이라면 임의의 재료를 사용할 수 있으나, 프로톤 해리성의 기본을 도입한 후에, 이온전도성이 전자전도성보다도 크다는 것이 필요하다.As the base carbonaceous material, any material can be used as long as carbon is a main component. However, it is necessary that the ion conductivity is larger than the electron conductivity after introducing the base of proton dissociation.

구체적으로는, 탄소원자의 집합체인 탄소클러스터나, 튜브형 탄소질 즉, 카본나노튜브를 포함하는 탄소질 재료 등을 들 수 있다.Specifically, the carbon cluster which is an aggregate of carbon atoms, the carbonaceous material containing tubular carbonaceous, ie, carbon nanotube, etc. are mentioned.

탄소클러스터에는, 여러 가지의 것이 있고, 플러렌이나 플러렌구조의 적어도 일부에 개방단을 갖는 것이나 다이아몬드구조를 갖는 것을 이용하여 가장 적절하다.There are various kinds of carbon clusters, and most suitable are those having an open end at least in part of a fullerene or fullerene structure or having a diamond structure.

이하, 이 탄소클러스터에 대해서 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, this carbon cluster will be described in more detail.

클러스터란 통상은, 수개에서 수백개의 원자가 결합 또는 응집하여 형성되어 있는 집합체의 것이며, 이 원자가 탄소인 경우, 이 집합체에 의해 프로톤 전도성이 향상하는 동시에, 화학적성질을 유지하여 막 강도가 충분하게 되어 층을 형성하기 쉽다. 또, 「탄소를 주성분으로 하는 클러스터」란, 탄소원자가 탄소-탄소간 결합의 종류는 불문하고 수개에서 수백개 결합하여 형성되어 있는 집합체의 것이다. 단, 반드시 100% 탄소만으로 구성되어 있다고는 한하지 않고, 다른 원자의 혼재도있을 수 있다. 이와 같은 경우도 포함하여, 탄소원자가 다수를 점하는 집합체를 탄소클러스터라고 부르기로 한다. 이 집합체를 도면으로 설명하면, 도 3 내지 도 6에 나타내는 바와 같고, 프로톤 전도체의 원료로서의 선택의 폭이 넓은 것이다. 또한, 여기서는, 프로톤 해리성의 기본은 도시를 생략하고 있다.A cluster is usually an aggregate formed by bonding or agglomeration of several hundreds of atoms, and when the atoms are carbon, the aggregate improves proton conductivity and maintains chemical properties to provide a sufficient film strength. Easy to form. The term "carbon-based cluster" refers to an aggregate in which carbon atoms are formed by several to hundreds of bonds regardless of the kind of carbon-carbon bonds. However, it is not necessarily composed of only 100% carbon, and there may be a mixture of other atoms. Including such a case, the aggregate in which a carbon atom occupies a lot is called a carbon cluster. When this aggregate is demonstrated by drawing, it is as showing in FIG. 3 thru | or 6, and the selection of a proton conductor as a raw material is wide. In addition, the base of proton dissociation is abbreviate | omitted here.

도 3에 나타내는 것은, 탄소원자가 다수개 집합하여 이루는 구체(球體) 또는 장구(長球), 또는 이들과 유사하는 닫은 면구조를 가지는 여러 가지의 탄소클러스터이다. 단, 분자형의 플러렌도 겸해서 나타낸다. 그것에 대하여, 그들의 구구조의 일부가 결손한 탄소클러스터를 도 4에 여러 가지로 나타낸다. 이 경우는, 구조중에 개방단을 가지는 점이 특징적이며, 이와 같은 구조체는, 아크방전에 의한 플러렌의 제조과정에서 부생성물로서 수많이 볼 수 있는 것이다. 탄소클러스터의 대부분의 탄소원자가 SP3 결합하고 있으면, 도 5에 나타내는 바와 같은 다이아몬드의 구조를 갖는 여러 가지의 클러스터가 된다.3 shows various carbon clusters having a spherical or long sphere made of a plurality of carbon atoms, or a closed surface structure similar to these. However, it also shows as a molecular fullerene. In contrast, various carbon clusters in which some of their spherical structures are missing are shown in FIG. 4. In this case, the structure is characterized by having an open end in the structure, and such a structure can be seen as a large number of by-products in the process of producing fullerene by arc discharge. When most of the carbon atoms of the carbon clusters are bonded to SP3, various clusters having a diamond structure as shown in Fig. 5 form.

도 6은, 클러스터끼리가 결합한 경우를 여러 가지로 나타내는 것이며, 이와 같은 구조체라도, 본 발명에 적용할 수 있다.Fig. 6 shows various cases in which clusters are bonded to each other, and even such a structure can be applied to the present invention.

프로톤 해리성의 기본을 가지는 탄소질 재료를 주성분으로서 함유하는 프로톤 전도체는, 건조상태라도 프로톤이 상기 기에서 해리하기 쉽고, 더구나 이 프로톤은 상온을 포함하는 넓은 온도역, 적어도 약 160℃∼-40℃의 범위에 걸쳐서 고전도성을 발휘하는 것이 가능하다. 상술과 같이, 프로톤 전도체는 건조상태라도 충분한 프로톤 전도성을 나타내지만, 수분이 존재하고 있어도 상관없다. 이 수분은 외부에서 침입한 것이라도 좋다.Proton conductors containing a carbonaceous material having a base of proton dissociation as a main component are protons easily dissociated from the group even in a dry state, and furthermore, the protons have a wide temperature range including room temperature, at least about 160 ° C to -40 ° C. It is possible to exhibit high conductivity over the range of. As described above, the proton conductor exhibits sufficient proton conductivity even in a dry state, but may be present in water. This moisture may have invaded from the outside.

한편, 전극재료로서 이용되는 탄소질 재료분체(4)에는, 임의의 탄소질 재료를 이용할 수 있으나, 특히, 카본나노튜브나 침형 흑연(예를 들면, 도호레이욘사제, 상품명 VGCF 등)과 같은 침형의 탄소질 재료를 포함하고 있는 것이 바람직하다.On the other hand, any carbonaceous material may be used for the carbonaceous material powder 4 used as the electrode material, but in particular, such as carbon nanotubes or needle-like graphite (for example, manufactured by Toho Rayon Co., Ltd., trade name VGCF). It is preferable that a needle-like carbonaceous material is included.

도 7은, 카본나노튜브를 포함하는 탄소질 재료를 제조하기 위한 아크방전장치의 일 예를 나타내는 것이다. 이 장치에 있어서는, 진공챔버라고 불리우는 반응실(11) 내에 어느 것이나 그래파이트 등의 탄소봉으로 이루는 음극(12)과 양극(13)이 간극(G)을 거쳐서 대향 배치되고, 양극(13)의 후단은 직선운동 도입기구(14)에 연결되고, 각 극은 각각 전류도입단자(15a, 15b)에 접속되어 있다.7 shows an example of an arc discharge device for producing a carbonaceous material including carbon nanotubes. In this apparatus, in the reaction chamber 11 called a vacuum chamber, both the cathode 12 and the anode 13 made of carbon rods such as graphite are disposed to face each other via the gap G, and the rear end of the anode 13 It is connected to the linear motion introduction mechanism 14, and each pole is connected to the current introduction terminals 15a and 15b, respectively.

이와 같은 구성에 있어서, 반응실(11) 내를 탈기한 후, 헬륨 등의 희가스로 충만시키고, 각 전극에 직류를 통전하면, 음극(12)과 양극(13)과의 사이에 아크방전이 생기고, 반응실(11)의 내면, 즉 측벽면, 천정면, 저면 및 음극(12) 위에 철매형의 탄소질 재료가 퇴적한다. 또한, 측벽면 등에 미리 소용기를 부착하여 두면, 그 속에도 탄소질 재료가 퇴적한다.In such a configuration, after degassing the inside of the reaction chamber 11, the gas is filled with a rare gas such as helium, and a direct current is supplied to each electrode, so that an arc discharge occurs between the cathode 12 and the anode 13. On the inner surface of the reaction chamber 11, that is, the side wall surface, the ceiling surface, the bottom surface and the cathode 12, iron-like carbonaceous material is deposited. In addition, when a small container is previously attached to the side wall surface or the like, a carbonaceous material is deposited therein.

반응실(11)에서 회수된 철매형의 탄소질 재료에는, 도 8a에 나타내는 바와 같은 카본나노튜브, 도 8b에 나타내는 C60플러렌 및 도시는 하지 않았으나 C70플러렌, 그것에 도 8c에 나타내는 탄소철매 등이 함유되어 있다. 이 탄소철매는, 플러렌분자나 카본나노튜브로 성장하지 못한 곡율을 가지는 철매이다. 또한, 이 철매형의 탄소질 재료의 전형적인 조성을 들면, C60, C70 등 플러렌이 10~20%, 카본나노튜브가 수%, 그 외에 다량의 탄소철매 등이 포함된다.The iron type carbonaceous material recovered from the reaction chamber 11 contains a carbon nanotube as shown in FIG. 8A, a C60 fullerene as shown in FIG. 8B, and a C70 fullerene not shown but a carbon iron as shown in FIG. 8C. It is. This carbon iron sheet is an iron sheet having a curvature not grown by fullerene molecules or carbon nanotubes. In addition, typical compositions of the iron type carbonaceous material include 10 to 20% of fullerenes such as C60 and C70, several% of carbon nanotubes, and a large amount of carbon iron.

또한, 탄소질 재료에 있어서는, 그 적어도 표면에 대하여, 수소분자를 수소원자로, 더욱이는 프로톤과 전자에로 분리할 수 있는 촉매능을 가지는 금속을 공지의 방법으로 20중량% 이하, 담지시키는 것이 바람직하다. 촉매능을 가지는 금속으로서는, 예를 들면, 백금 혹은 백금합금 등을 들 수 있다. 이와 같은 촉매금속을 담지시키면, 그것을 담지시키지 않는 경우에 비해, 전지반응의 효율을 높일 수 있다.In the carbonaceous material, at least 20 wt% or less of a metal having a catalytic ability capable of separating hydrogen molecules into hydrogen atoms, and further from protons and electrons, is supported on at least the surface thereof by a known method. Do. As a metal which has a catalytic capability, platinum, a platinum alloy, etc. are mentioned, for example. Supporting such a catalyst metal can increase the efficiency of the battery reaction as compared with the case where the catalyst metal is not supported.

상술의 침형의 탄소질 재료를 이용한 경우, 연료전극(2) 혹은 산소전극(3)을 프로톤 전도체막(1) 위에 직접 형성할 수 있다. 여기서 형성방법으로서는, 스프레이법이나 적하법을 들 수 있다.In the case of using the needle-like carbonaceous material described above, the fuel electrode 2 or the oxygen electrode 3 can be formed directly on the proton conductor film 1. As the forming method, a spray method or a dropping method may be mentioned.

스프레이법의 경우, 상기 탄소질 재료를 물 혹은 에탄올 등의 용제에 분산하고, 이것을 프로톤 전도체막(1)에 직접 내뿜는다. 적하법의 경우, 역시, 상기 탄소질 재료를 물 혹은 에탄올 등의 용제에 분산하고, 이것을 프로톤 전도체막(1)에 직접 적하한다.In the case of the spraying method, the carbonaceous material is dispersed in a solvent such as water or ethanol and sprayed directly onto the proton conductor film 1. In the case of the dropping method, the carbonaceous material is further dispersed in a solvent such as water or ethanol, and this is directly added to the proton conductor film 1.

이것에 의해, 프로톤 전도체막(1) 위에 상기의 탄소질 재료가 내려 쌓인 상태가 된다. 이때, 상기 카본나노튜브는 직경 1~3nm정도, 길이 1~10μm정도의 가늘고 긴 섬유형의 형태를 나타내고, 또, 침형 흑연도 직경 0.1~0.5μm정도, 길이 1~50μm정도의 침형의 형태를 나타내기 위해, 서로 얽혀서 특단의 결합제가 없어도 양호한 층형체를 구성한다. 물론, 필요에 따라서 결합제(바인더)를 병용하는 것도 가능하다는 것은 말할 것도 없다.As a result, the carbonaceous material is laid down on the proton conductor film 1. In this case, the carbon nanotubes have a shape of a thin and long fiber having a diameter of about 1 to 3 nm and a length of about 1 to 10 μm, and the needle-like graphite has a needle shape of about 0.1 to 0.5 μm in diameter and about 1 to 50 μm in length. For the sake of illustration, it is entangled with each other and constitutes a good layered body even without a special binder. Of course, it goes without saying that it is also possible to use a binder (binder) together as needed.

상술과 같은 방법에 의해 형성되는 연료전극(2)이나 산소전극(3)은, 자립시킬 필요가 없기 때문에, 기계적 강도가 요구되지 않고, 따라서, 그 두께는 10μm 이하, 예를 들면 2~4μm정도와, 극히 얇게 설정할 수 있다.Since the fuel electrode 2 or the oxygen electrode 3 formed by the above-described method does not need to be self-supporting, mechanical strength is not required. Therefore, the thickness thereof is 10 μm or less, for example, about 2 to 4 μm. Wow, it can be set very thin.

상술과 같이 구성된 연료전지에 있어서, 프로톤 전도체막(1)에는 프로톤 전도성을 가지는 재료라면, 임의의 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 세퍼레이터에 프로톤 전도성을 가지는 재료를 도포하고, 담지시킨 것 등도 사용가능하다.In the fuel cell configured as described above, any material can be used for the proton conductor film 1 as long as it has a proton conductivity. For example, the thing which apply | coated and supported the material which has proton conductivity to a separator, etc. can also be used.

구체적으로, 이 프로톤 전도체막(1)에 사용가능한 재료로서는, 먼저, 퍼플루오로술폰산 수지(예를 들면, 듀폰사제, 상품명 Nafion(R) 등)와 같은 프로톤(수소이온) 전도성의 고분자재료를 들 수 있다.Specifically, as a material which can be used for the proton conductor film 1, first, a proton (hydrogen ion) conductive polymer material such as a perfluorosulfonic acid resin (for example, manufactured by DuPont, trade name Nafion (R)) is used. Can be mentioned.

또, 다른 프로톤 전도체로서는, 최근 제안되고 있는 H3Mo12PO40·29H2O나 Sb2O5·5.4H2O 등, 많은 수화수를 갖는 폴리모리브덴산류나 산화물도 사용가능하다.As other proton conductors, polymolybdates and oxides having a large number of hydrated water, such as H 3 Mo 12 PO 40 · 29H 2 O and Sb 2 O 5 · 5.4H 2 O, which have been recently proposed, can also be used.

이들의 고분자재료나 수화화합물은, 습윤상태에 놓이면, 상온 부근에서 높은 프로톤 전도성을 나타낸다.These polymer materials and hydrated compounds exhibit high proton conductivity near room temperature when placed in a wet state.

즉, 퍼플루오로술폰산 수지를 예로 들면, 그 술폰산기에서 전리한 프로톤은, 고분자 매트릭스 중에 대량으로 거둬 들여지는 수분과 결합(수소결합)하여 프로톤화한 물, 즉 옥소늄이온(H3O1)을 생성하고, 이 옥소늄이온의 형태를 취하고 프로톤이 고분자 매트릭스 내를 스므스하게 이동할 수 있으므로, 이런 종류의 매트릭스재료는 상온 하에서도 상당히 높은 프로톤 전도효과를 발휘할 수 있다.In other words, taking a perfluorosulfonic acid resin as an example, the protons isolated from the sulfonic acid group are water protonated by combining (hydrogen bond) with water collected in large quantities in the polymer matrix, that is, oxonium ion (H 3 O 1). ), Take the form of this oxonium ion, and the proton can move smoothly in the polymer matrix, this kind of matrix material can exhibit a significantly high proton conduction effect even at room temperature.

혹은, 이들의 재료와는 전도기구가 전적으로 다른 프로톤 전도체도 사용가능하다.Alternatively, a proton conductor may be used which is entirely different from the material thereof.

즉, Yb를 도프한 SrCeO3등의 페로브스카이트구조를 가지는 복합금속 산화물 등이다. 이런 종류의 페로브스카이트구조를 가지는 복합금속 산화물은, 수분을 이동매체로 하지 않아도, 프로톤 전도성을 가지는 것이 발견되고 있다. 이 복합금속 산화물에 있어서는, 프로톤은 페로브스카이트구조의 골격을 형성하고 있는 산소이온간을 단독으로 차내링하여 전도된다고 고려되고 있다.In other words, such a complex metal oxide having the perovskite structure such as SrCeO 3 doped with Yb. It has been found that composite metal oxides having this kind of perovskite structure have proton conductivity even when water is not used as a transfer medium. In this composite metal oxide, it is considered that protons are conducted by in-vehicle alone between the oxygen ions forming the skeleton of the perovskite structure.

단, 이 프로톤 전도체막(1)에 있어서도, 가습의 필요성 등이 문제가 되는 것에서, 상기 프로톤 전도체(5)와 동종의 재료, 즉, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 하고, 이것에 프로톤 해리성의 기가 도입되어서 이루는 프로톤 전도체를 이용하는 것이 바람직하다.However, also in this proton conductor film 1, since the necessity of humidification etc. becomes a problem, the same material as the said proton conductor 5, ie, the carbonaceous material which has carbon as a main component as a base material, It is preferable to use a proton conductor formed by introducing a proton dissociable group.

도 9는, 상술한 전극이나 프로톤 전도체가 짜 넣어지는 연료전지의 구체적인 구성예를 나타내는 것이다.Fig. 9 shows a specific structural example of the fuel cell in which the above-described electrode and proton conductor are incorporated.

이 연료전지는, 촉매(27a 및 27b)를 각각 밀착 또는 분산시킨 서로 대향하는 부극(연료극 또는 수소극)(28) 및 정극(산소극)(29)을 가지며, 이들의 양극 사이에 프로톤 전도체부(30)가 협지되어 있다. 이들 부극(28), 정극(29)으로부터는, 각각 단자(28a, 29a)가 인출되어 있고, 외부회로와 접속하는 구조로 되어 있다.The fuel cell has a negative electrode (fuel electrode or hydrogen electrode) 28 and a positive electrode (oxygen electrode) 29 facing each other in which the catalysts 27a and 27b are brought into close contact with or dispersed therein, and a proton conductor portion between these anodes. 30 is sandwiched. Terminals 28a and 29a are drawn out from the negative electrode 28 and the positive electrode 29, respectively, and have a structure for connecting with an external circuit.

이 연료전지에서는, 사용시에는 부극(28) 측에서는 도입구(31)에서 수소가 공급되고, 배출구(32)에서 배출된다. 또한, 배출구(32)는 설치하지 않기도 한다. 연료(H2)(33)가 유로(34)를 통과할 동안에 프로톤을 발생하고, 이 프로톤은 프로톤 전도체부(30)에서 발생한 프로톤과 함께 정극(29) 측으로 이동하고, 거기서도입구(31)에서 유로(36)에 공급되어서 배기구(37)로 향하는 산소(38) 또는 공기와 반응하고, 이것에 의해 소망의 기전력이 추출된다.In this fuel cell, in use, hydrogen is supplied from the inlet port 31 on the negative electrode 28 side and discharged from the outlet port 32. In addition, the discharge port 32 may not be provided. Protons are generated while the fuel (H 2 ) 33 passes through the flow path 34, which moves along with the protons generated in the proton conductor portion 30 to the positive electrode 29 side, where at the inlet 31 It reacts with oxygen 38 or air supplied to the flow path 36 toward the exhaust port 37, whereby the desired electromotive force is extracted.

이상의 구성에 있어서, 수소공급원(39)에는, 수소흡장(吸藏)합금이나 수소흡장용 탄소질 재료가 수납되어 있다. 또한, 미리 이 재료에 수소를 흡장시켜놓고, 수소공급원(39)에 수납하여도 좋다.In the above configuration, the hydrogen supply source 39 houses a hydrogen storage alloy and a carbonaceous material for hydrogen storage. In addition, hydrogen may be stored in this material in advance, and may be stored in the hydrogen supply source 39.

[실시예 1]Example 1

여기서, 본 발명에 관계되는 연료전지를 제작하고, 그 출력특성을 측정하였다. 이 연료전지는, 상술한 도 2에 나타내는 바와 같이, 탄소재료를 주체로 하는 연료전극(2)에 대하여, 플러렌(C60또는 C70)을 슬폰화한 것을 부착시켰다. 이 부착재료는, 알코올 또는 THF로 용해하기 위해, 1M용해액을 전극중량에 대하여 1wt%가 되도록 적하하였다. 적하는 스포이트에 의해 행하였다. 용매를 건조분위기 중에서 충분히 건조하고, 출력특성을 측정하였다. 이 출력특성은, 연료전지에 건조수소가스를 유통시켜서, 산소극에 건조공기를 유통시키는 조건하에서 행하였다.Here, a fuel cell according to the present invention was produced, and its output characteristics were measured. As shown in Fig. 2 described above, this fuel cell is attached with a sulfonated fullerene (C 60 or C 70 ) to the fuel electrode 2 mainly composed of a carbon material. In order to melt | dissolve in alcohol or THF, this adhesion | attachment material was dripped so that 1 M solution might be 1 wt% with respect to electrode weight. The dropping was carried out with a dropper. The solvent was sufficiently dried in a dry atmosphere and the output characteristics were measured. This output characteristic was performed under the condition that the dry hydrogen gas was passed through the fuel cell and the dry air was passed through the oxygen electrode.

출력은, 시간에 대한 변화를 관측하였다. 결과는, 도 10a에 나타내는 바와 같다.The output observed a change over time. The result is as showing to FIG. 10A.

[비교예 1]Comparative Example 1

본 발명에 관계되는 연료전지와 비교하는 비교예 1을 제작하였다. 비교예 1은 연료전극에 대하여, 고분자 고체전해액(나피온)을 같은 중량비로 가한 것이다.이 전지의 출력특성을 측정하였다. 이 출력특성은, 실시예 1과 동일하게 연료전지에 건조 수소가스를 유통시켜, 산소극에 건조공기를 유통시키는 조건하에서 행하였다.Comparative Example 1 was produced in comparison with the fuel cell according to the present invention. In Comparative Example 1, a polymer solid electrolyte solution (Nafion) was added to the fuel electrode in the same weight ratio. The output characteristics of the battery were measured. This output characteristic was carried out under the conditions in which dry hydrogen gas was passed through the fuel cell and dry air was passed through the oxygen electrode in the same manner as in Example 1.

출력은, 시간에 대한 변화를 관측하였다. 결과는, 도 10b에 나타내는 바와 같다.The output observed a change over time. The result is as showing to FIG. 10B.

본 발명은, 건조분위기 중에 있어서도 양호한 프로톤 전도도를 유지할 수 있고, 출력이 저하하지 않는 연료전지를 실현할 수 있다.The present invention can maintain a good proton conductivity even in a dry atmosphere, and can realize a fuel cell in which the output does not decrease.

Claims (8)

연료전극과 산소전극을 갖추고, 이들 연료전극과 산소전극이 프로톤 전도체막을 거쳐서 서로 대향 배치되어서 이루는 연료전지에 있어서,In a fuel cell comprising a fuel electrode and an oxygen electrode, the fuel electrode and the oxygen electrode are arranged to face each other via a proton conductor film, 상기 연료전극 및/또는 산소전극은, 탄소질 재료분체를 전극재료로서, 그 표면에, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료에 프로톤 해리성의 기본을 도입한 프로톤 전도체가 존재하는 것을 특징으로 하는 연료전지.In the fuel electrode and / or the oxygen electrode, a fuel cell characterized in that a proton conductor having a carbonaceous material powder as an electrode material and having proton dissociation thereon in a carbonaceous material containing carbon as its main component is present on the surface thereof. . 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소질 재료분체는, 침형의 탄소질 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.The carbonaceous material powder comprises a needle-like carbonaceous material. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 침형의 탄소질 재료가, 카본나노튜브 또는 침형 흑연인 것을 특징으로 하는 연료전지.And the needle-shaped carbonaceous material is carbon nanotube or needle-shaped graphite. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료전극 및/또는 산소전극은, 촉매금속을 담지하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.And the fuel electrode and / or the oxygen electrode carry a catalyst metal. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 촉매금속은, 백금 또는 그 합금인 것을 특징으로 하는 연료전지.The catalyst metal is a fuel cell, characterized in that the platinum or alloys thereof. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 프로톤 전도체막을 구성하는 프로톤 전도체와, 상기 탄소질 재료분체의 표면에 존재하는 프로톤 전도체와는, 동종의 재료인 것을 특징으로 하는 연료전지.And a proton conductor constituting the proton conductor membrane and a proton conductor present on the surface of the carbonaceous material powder. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 프로톤 전도체의 모재가 되는 탄소질 재료는, 탄소클러스터 또는 카본나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.A carbonaceous material which is a base material of the proton conductor includes a carbon cluster or carbon nanotubes. 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료에 프로톤 해리성의 기본을 도입한 프로톤 전도체를 포함하는 용제 중에, 연료전극 및/또는 산소전극의 전극재료가 되는 탄소질 재료분체를 첨가하고, 그 표면을 상기 프로톤 전도체로 피복하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조방법.A carbonaceous material powder serving as an electrode material of a fuel electrode and / or an oxygen electrode is added to a solvent containing a proton conductor in which proton dissociation is introduced into a carbonaceous material containing carbon as a main component, and the surface of the proton conductor Method of manufacturing a fuel cell, characterized in that the coating.
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